laboratorio di sintesi finale sfruttamento dell’energia solare: fotovoltaica e termica
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Laboratorio di sintesi finale
Sfruttamento dell’energia solare:fotovoltaica
etermica
Docente di riferimento:
prof. F. Inzoli
Sara Livio, matr. 647844Paola Parravicini, matr. 646802
Politecnico di Milano – Sede di Como Facoltà di Ingegneria
Corso di studi in
Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
L’Energia Solare
Il Sole emette con continuità energia sottoforma di radiazione elettromagnetica.
All’ingresso dell’atmosfera, la costante solare vale circa
1350 W/m2
Al suolo, essa si riduce a
1000 300 W/m2
In seguito a fenomeni di riflessione e assorbimento
L’effetto fotovoltaico
Consiste nella conversione dell’energia elettromagnetica in energia elettrica, generalmente ad opera di materiali semiconduttori.
Produzione:
1÷1,5 Wp
Struttura di una cella fotovoltaica
Celle fotovoltaiche: tecnologie disponibiliTipo di Celle al silicio Film sottile Celle Nano-antenne
cella Si monocristallino
Si policristallino Si amorfo CdTe CIS e CIGSa
concentrazione(rectennas)
Rendimento cella
14-16% 10-12%10% (ma 6-8%
sul modulo)16% (10% sul
modulo)6-7% 20-23% atteso 80-90%
Vantaggi> Alti rendimenti
> Costi inferiori > Costi inferiori > basso costo > basso costo > rendimenti elevati
> rendimenti molto elevati
> Tecnologia affidabile
> Fabbricazio- ne più semplice
> flessibilità > buona resistenza meccanica e a stress termici
> affidabilità (rispetto a Si amorfo)
> spessori ridotti
> flessibilità
Svantaggi> Costi elevati > Rendimenti
minori> rendimenti bassi
> tossicità dei materiali impiegati
> tossicità dei materiali
> spessori elevati
> tecnologia sperimentale
> Complessi procedimenti di produzione
> sensibilità alle impurezze
> Degrado iniziale
> disponibilità dei materiali
> tecnologie di produzione in fase di sviluppo
> necessità di un sistema a inseguimento
> dimensioni delle antenne
> Stabilità a lungo termine
> complessità della cella
Tipologie di impianto:impianti stand alone
l’energia elettrica prodotta in eccedenza viene accumulata in batterie per essere utilizzata in
momenti di bassa insolazione o di buio.Schema d’impianto
Impianti stand alone:applicazioni
- Utenze isolate
- Servizi
Tipologie di impianto:impianti grid-connected
la corrente continua prodotta dai moduli viene convertita in corrente alternata e, se non è utilizzata,
viene immessa nelle rete elettrica nazionale
Schema d’impianto
Impianti grid connected:applicazioni
- Piccoli impianti
- Centrali fotovoltaiche
Tipi di installazione
- Retrofit applicato a superfici esistenti
- Integrato in sostituzione di elementi strutturali
Tipi di installazione
- Sistemi a inseguimento (girasoli solari)
Criteri generali di dimensionamento
- Quantificazione dei consumi energetici- Radiazione solare disponibilenumero di moduli ev. numero di batterie.- Posizionamento dei moduli
Esempio di calcolo: superficie necessaria
Per impianto domestico grid-connected da 3KWp, ipotizzando un rendimento dei moduli del 12%
potenza elettrica erogata potenza elettromagnetica ricevuta
3 (KWp)0,12 1 (KW/m2) · A (m2)
3 A25m2
0,12
E’ richiesta un’area minima di 25 m2.
Considerazioni sugli impianti fotovoltaici
Vantaggi
- Elevata affidabilità e durata (circa 25–30 anni);
- Bassi costi di manutenzione;
- Semplicità d’installazione;
- Modularità.
Svantaggi
- Costi di installazione elevati;
- Bassi rendimenti di conversione;
- Necessità di grandi superfici.
SISTEMI SOLARI TERMICI
SISTEMI SOLARI TERMICI
Permettono la conversione della radiazione solare in energia termica.
Conversione:BASSA TEMPERATURA (< 100°C)MEDIA TEMPERATURA (oltre 250°C)ALTA TEMPERATURA (collettori solari
termici ad alta concentrazione)
IL COLLETTORE SOLARE PIANO- Superficie selettiva
trasparente- Piastra assorbente- Tubi in cui scorre il
fluido termovettore- Strato isolante
η= 17 – 22%
Calore ceduto al fluido termovettoreRadiazione incidente sul collettore
Rendimento:
COLLETTORE SOTTOVUOTOStruttura base: tubi di vetro
concentrici. Nello spazio intermedio è creato il vuoto. Al centro dei tubi è inserito un tubo di rame a forma di U, dove scorre il fluido termovettore.
COLLETTORI TUBOLARI SOTTOVUOTO
Rendimento: 70%
COLLETTORI HEAT PIPE
Rendimento: 80%
SISTEMI A CIRCOLAZIONE NATURALESerbatoio di accumulo dell’acqua posto al di sopra del collettore. Non è necessaria la presenza di una pompa
VANTAGGI:
•Costo limitato
•Installazione semplice
SVANTAGGI:
•Limitata portata ridotte prestazioni energetiche
•Problemi di mantenimento della temperatura dell’acqua nel serbatoio in inverno
•Utenze piccole (4-5 persone)
SISTEMI A CIRCOLAZIONE FORZATASerbatoio di accumulo all’interno dell’edificio. Circolazione fluido avviene tramite pompa centrifuga
VANTAGGI:
•Ampie possibilità soddisfacimento dell’utenza
•Buona efficienza grazie alla stratificazione termica del serbatoio a alla possibilità di regolazione della portata
SVANTAGGI:
•Costo superiore
•Installazione più complessa
IMPIANTO SOLARE COMBINATO
Produzione di acqua calda sanitaria e integrazione al riscaldamento degli ambienti
Soluzione migliore: integrazione con sistemi di riscaldamento a bassa temperatura (pannelli radianti a pavimento,…)
Inclinazione pannelli supera 50° Alternative impiantistiche:• Serbatoio “tank in tank”• Serbatoio di accumulo per acs e scambiatore
di calore per circuito riscaldamento
Impianto combinato con accumulo tank in tank
Impianto combinato con accumulo tank in tank
Caratteristiche dell’utenza: • 5 persone• Superficie abitazione da scaldare: 140 m2
Fabbisogno energetico:• 4.600 kWh/anno per acqua calda sanitaria• 12.000 kWh/anno per riscaldamento ambientiCaratteristiche dell’impianto solare:• Superficie collettori: 14 m2
• Volume accumulo: 1000 lCopertura energetica:• Acqua calda sanitaria: 90%• Riscaldamento ambienti: 40%
Impianto combinato: serbatoio di accumulo per acqua calda sanitaria e scambiatore di calore per circuito di
riscaldamento
RISCALDAMENTO PISCINAIl fabbisogno maggiore è nel periodo estivo, quando c’è maggior disponibilità di energia solare
In caso di riscaldamento combinato di piscina e acqua calda sanitaria, necessario un sistema di regolazione dell’afflusso di calore in base alla priorità.
Copertura fabbisogno energetico: 100%
CONCLUSIONI:Valutazioni economiche
E’ necessario tenere conto di
• Tempo di ritorno economico
• Esternalità ambientali
CONCLUSIONI:Valutazioni ambientali
• Benefici in termini di riduzione annua di emissioni (in particolare di CO2) rispetto alle fonti energetiche tradizionali
• Importanza di analizzare l’intero ciclo di vita del prodotto (dall’utilizzo di materie prime allo smaltimento finale)
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